用于滚剃加工的方法和相应的具有滚剃刀具的设备的制作方法
用于滚剃加工的方法和相应的具有滚剃刀具的设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于通过使用滚剃刀具（100）滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件（70）的方法和设备。在滚剃加工时滚剃刀具（100）相对于工件（70）进行耦合的相对运动，并且滚剃刀具（100）围绕第一旋转轴线（R1）旋转。工件（70）围绕第二旋转轴线（R2）旋转，其中，在滚剃加工期间设定数值大于15度的倾角（δ），并且第一旋转轴线（R1）相对于第二旋转轴线（R2）异面延伸。
【专利说明】用于滚剃加工的方法和相应的具有滚剃刀具的设备
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及一种用于滚剃加工《WiilzschaIen )齿部或其它周期结构的方法和一种相应的具有滚剃刀具的设备。
【背景技术】
[0002]已有许多用于制造齿轮的方法。切削式软预加工分为滚削(英文为hobbing)、插齿加工(英文为gear shaping)、刨削(英文为generating planing)和滚剃加工(英文为powerskiving)。滚削和滚剃加工是所谓的连续方法，这在下面还将详细说明。
[0003]齿轮的切削制造被分为单齿分度方法(亦称为断续分度方法,英文为intermittedindexing process或single indexing process)和连续方法,该连续方法有时也称为连续分度方法(英文为 continuous indexing process 或 face hobbing)。
[0004]在连续方法中例如使用具有相应刀片的刀具来切削工件外周面。工件在一次装夹下被连续地、即在无间断的方法中切削完成。连续方法基于复杂、耦合的运动过程，在其中刀具和待加工工件彼此相对进行连续的分度运动。该分度运动由相应机床的多个轴驱动装置的协调或者说耦合的驱动产生。
[0005]在单齿分度方法中加工一个齿隙，然后进行例如刀具的相对运动和所谓的分度运动(分度旋转)，在其中工件相对于刀具旋转，之后加工下一齿隙。如此逐步制出齿轮。
[0006]开始提到的插齿加工方法可通过圆柱齿轮传动来说明或显示，因为插齿刀具I的旋转轴线Rl和工件2的旋转轴线R2之间的夹角(也称为轴夹角)为零度，如图1示意所示。当轴夹角为零度时，两个旋转轴线Rl和R2平行延伸。工件2和插齿刀具I连续围绕其旋转轴线R2或Rl旋转。插齿刀具I除了旋转运动外还附加地进行升降运动(该升降运动在图1中通过双向箭头Shx来表示)并且在该升降运动中从工件2上去除切屑。
[0007]—段时间以前重新采用一种方法，该方法被称为滚剃加工。其溯源约有100年历史。第一个关于该主题的申请号是DE243514的专利申请可追溯到1912年。在最初几年的思考和研究之后不再努力追求继续改良滚剃加工。到目前为止，为了找到适合用于滚剃加工方法的刀具几何形状，需要复杂的过程，该过程部分地来自于经验。
[0008]大约在20世纪80年代中期，重新使用滚剃加工。只有借助当今的仿真方法和现代的CNC机床控制才能将滚剃加工原理转用为高产、可重复和鲁棒的方法。另外还源于当今刀具材料的高耐磨性、现代机床的极高的静力学和运动学刚性以及同步运行的高品质。
[0009]现在在滚剃加工时，如图2所示，在滚剃刀具10 (又称为滚剃轮)的旋转轴线Rl和工件20的旋转轴线R2之间预设不等于零的轴夹角Σ。滚剃刀具10和工件20之间所产生的相对运动是螺旋运动，该螺旋运动可分解为旋转分量(转动分量)和进给分量(平移分量)。作为驱动技术模拟可观察展成螺旋式齿轮传动(WMzsehraubgetriebe)?其中
旋转分量对应于齿面的滚动，进给运动对应于齿面的滑动。轴夹角?的数值越大，加工工件20所需的平移运动分量越大。平移运动分量引起滚剃刀具?ο的切削刃沿工件20齿面方向的运动分量。因此在滚剃加工时，利用螺旋齿轮等效传动的相互啮合的齿轮的啮合相对运动的滑动分量来实施切削运动。在滚剃加工时仅需要缓慢的轴向进给(也称为轴向进刀)并且因此省略所谓的插齿运动，该插齿运动对于插齿而言是典型的。因此在滚剃加工时不出现回程运动。
[0010]滚剃加工时的切削速度直接受到滚剃刀具10或工件20的转速和所使用的旋转轴线Rl和R2的轴夹角Σ的影响。因此轴夹角Σ以及进而滑动分量应这样选择，即在转速给定的情况下为材料加工实现最佳的切削速度。
[0011]已知滚剃加工方法的运动过程和其它细节可由已经提到的示意性显示的图2获知。图2示出在圆柱形工件20上滚剃加工外齿部。工件20和刀具10(在此为圆柱形滚剃刀具10)沿相反方向旋转。
[0012]还存在其它的相对运动。为了能够用刀具10加工工件20的整个齿宽，需要轴向进给Sax。当希望在工件20上加工斜齿时(B卩β2#0)，则在轴向进给Sax上叠加差动进给SD。径向进给Srad可作为进刀运动实施。径向进给Srad也可用来例如影响工件20的齿凸度。
[0013]在滚剃加工时切削速度矢量f S本上是刀具10和工件20的旋转轴线R1、R2的两
个以轴夹角Σ相互倾斜的速度矢量焉和1?2的差。是刀具10圆周上的速度矢量，P2是工
件20圆周上的速度矢量。因此滚剃加工过程的切削速度V。可通过轴夹角Σ和螺旋齿轮等效传动中的转速来改变。轴向进给Sax仅对切削速度V。产生很小的影响，该影响可忽略
并且因此未在图2的矢量匕和^的矢量图中示出。
[0014]在图3中示出用锥形滚剃刀具10滚剃加工工件20的外齿部。在图3中再次示出轴夹角Σ、切削速度矢量fe、 刀具10圆周上的速度矢量^和工件20圆周上的速度矢量V2以及刀具10的螺旋角β !和工件20的螺旋角β 2。与图2不同，螺旋角β 2在此不等于零。刀具10的齿顶在图3中用附图标记4来表示。齿工作面在图3中用附图标记5来表示。两个旋转轴线Rl和R2不相交，而是彼此异面设置。在锥形滚剃刀具10中，设计点AP目前通常选择在两个旋转轴线Rl和R2的公垂线上，这是因为无需使滚剃刀具10倾斜以形成后角。设计点AP在此与所谓的接触点重合。在设计点AP中螺旋齿轮等效传动的各基圆接触。
[0015]为了——例如在使用现代切削材料如硬金属进行干式加工时——尽可能提高滚剃加工的生产率，滚剃刀具和工件之间的相对运动的滑动分量必须产生足够高的切削速度。切削速度V。在滚剃加工情况下直接受到螺旋齿轮等效传动的旋转速度、有效的工件或刀具半径以及旋转轴线Rl和R2的轴夹角Σ的影响。可能的旋转速度在此通过所使用的加工机床(滚剃加工机)的所允许的转速来限制。工件尺寸不变地预先确定。可能的刀具尺寸通过所使用的加工机床(滚剃加工机)的工作空间并且在加工内齿部时亦通过该齿部的内部空间本身来限制。因此通常只能通过相应大的轴夹角Σ来产生足够高的切削速度。
[0016]然而在实践中，轴夹角Σ不能任意预设，这是因为除了纯矢量分析叠加的不同运动外还存在一系列其它不得不考虑的因素。在下面的段落中说明这些必须被考虑的额外因素。
[0017]在滚剃加工时使用刀具10，该刀具具有至少一个几何形状确定的切削刃。所述切削刃在图2和图3中未示出。切削刃的形状和布置属于在实践中在具体设计时必须考虑的因素。
[0018]另外，刀具本身在滚剃加工时影响重大。滚剃刀具10在图2所示例子中具有直齿圆柱齿轮的形式。基体的外轮廓在图2中是圆柱形的。但该外轮廓也可是锥状(亦称锥形)的，如图3所示。由于滚剃刀具10的齿在整个切削边长度上啮合，所以刀具10的每个齿在切削边上需要足够的后角。
[0019]如以直齿或斜齿的锥形滚剃刀具10为出发点，如图4A和4B所示，可以看到，这种滚剃刀具10基于滚剃刀具10的锥形基本形状具有所谓的结构后角。也就是说，基于滚剃刀具10的几何形状预设锥形滚剃刀具10齿顶和齿面上的后角。但锥形滚剃刀具10的切削刃轮廓必须满足特定条件，以便能够进行精磨。在图4A和4B中示出在加工工件20的外齿部的情况下的锥形滚剃刀具10。所谓的结构后角a Ko可在图4B中在锥形滚剃刀具10的切割刃顶部上看到。轴交点AK与滚剃刀具10和工件20的基圆的接触点BP在图4Α中重合并且位于旋转轴线Rl和R2的公垂线GL上(在图4Α和4Β中不可见或者说未示出)。
[0020]在图5中示出直齿或斜齿锥形滚剃刀具10和圆柱形工件20的另一视图，在此这样选择图5的视图，使得两个旋转轴线Rl和R2平行延伸，但两个轴线Rl和R2相对彼此异面。在图5中可见两个轴线Rl和R2的公垂线GL。如图5所示，接触点BP位于公垂线GL上。
[0021]在图6Α和6Β中示出圆柱形滚剃刀具10和带有外齿部的圆柱形工件20的情况。滚剃刀具10不仅相对于工件20的旋转轴线R2异面设置(如在图6Α中借助相应的轴夹角Σ可见)，而且这样相对于工件20定位，即滚剃刀具以小的角度aKi远离工件倾斜(如图6Β清晰可见)。由于滚剃刀具10的远离倾斜，可产生有效后角，该后角在图6B中是针对顶刃的角aKi。在刀具的侧刃上也因该远离倾斜而产生有效后角。但该后角小于顶刃上的后角。通常，该后角仅为顶刃上的后角的一半大。
[0022]如以直齿或斜齿圆柱形滚剃刀具10为出发点，如图6A和6B所示，可以看出，这种滚剃刀具10由结构决定在齿顶以及齿面上都不具有所谓的结构后角。如这种圆柱形滚剃刀具10以传统方式被装夹，则没有后角。通过使滚剃刀具10远离倾斜可产生运动学后角，如上所述。在实践中滚剃刀具10的远离倾斜通过滚剃刀具10在机床中的偏心装夹来实现，以便使前刀面偏移离开轴交点AK。滚剃刀具10和工件20的基圆的接触点BP因滚剃刀具10的远离倾斜而不再位于旋转轴线Rl和R2的公垂线上。该相应的偏移(英文为offset)又称为前刀面偏移e并且在图6A中可见。滚剃刀具10的远离倾斜越大，则有效后角就越大。滚剃加工所需的后角在3度和5度之间的范围中。为了预设所述后角，圆柱形滚剃刀具10需要并且在实践中通常远离倾斜最大达10度。
[0023]在图7A和7B中示出工件30的一个例子，该工件具有圆柱形内环31，所述内环31在图7A的俯视图中仅被示为圆。需要在使用锥形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在内环31内部制出内齿部。工件30的齿宽与工件30的基圆直径dw2之比在此约为0.62。为了达到足够的切削速度V。，需要至少26度的有效轴夹角Σ@。在图7Α和7Β中示出有效轴夹角Seff = 26度的情况。不仅从图7Α而且从图7Β可见，锥形滚剃刀具10在有效轴夹角Seff为26度时在迄今通常不倾斜的装夹中会与内环31碰撞。在图7Α和7Β中通过椭圆KB示意示出碰撞区域。[0024]在图8A和8B中示出工件30的一个例子，该刀具具有圆柱形内环31，所述内环31在图8A的俯视图中仅被示为圆。需要在使用圆柱形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在内环31内部制出内齿部。为了达到足够的切削速度V。，也需要至少26度的有效轴夹角Σeff。在图8Α和8Β中示出有效轴夹角Σeff = 26度并且倾角δ = 12度的情况。不仅从图8Α而且从8B可见，圆柱形滚剃刀具10在该情况下尽管设置12度的倾角δ但仍会与内环31碰撞。在图8Β中通过椭圆KB示意示出碰撞区域。
[0025]在图9Α和9Β中示出工件20的一个例子，该工件具有第一圆柱形区段21和第二圆柱形区段22，在此应在使用锥形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在第一圆柱形区段21上制出外齿部。工件20例如可以是具有直径不同的区域的轴。为了达到足够的切削速度V。，在此需要至少18度的有效轴夹角Σeff。不仅从图9Α而且从图9Β可见，锥形滚剃刀具10 (在此锥角为10度)在有效轴夹角Seff为18度时在所示常见的装夹中会与工件20的第二圆柱形区段22碰撞。在图9Β中通过椭圆KB示意示出该碰撞区域。
[0026]在图1OA和IOB中再次示出根据图9Α和9Β的工件20，该工件具有第一圆柱形区段21和第二圆柱形区段22，在此应在使用锥形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在第一圆柱形区段21上制出外齿部。在此使用类似于图9Α和9Β的锥形滚剃刀具10，所述滚剃刀具10在当前情况下具有20度的锥角。为了达到足够的切削速度V。，在此也需要至少18度的有效轴夹角Σeff。滚剃刀具10以倾角δ =- 10度朝向工件20倾斜。不仅从图1OA而且从10B可见，锥形滚剃刀具10在有效轴夹角Σ eff为18度时在所示装夹中会与工件20的第二圆柱形区段22碰撞。这种装夹由以本申请 申请人:的名义以名称“滚剃加工方法和相应的具有滚剃刀具的装置”在同一天提交的欧洲共同申请公开。在图10B中通过椭圆KB示意示出该碰撞区域。
[0027]在圆柱形滚剃刀具10的情况下也会发生碰撞，该情况由于所需要的远离工件的倾斜而更糟。
【发明内容】
[0028]本发明的任务在于，提供一种用于切削加工齿轮齿面或其它周期结构的方法和设备，其尤其适合于加工仅允许小量超程的工件。
[0029]本发明的任务还在于，提供一种用于切削加工内齿齿轮齿面或其它位于内侧的周期结构的方法和设备。尤其涉及在如下工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，即所述工件相对于迄今所使用的刀具尺寸具有较小的内径和/或在待加工的内部区域中具有狭窄的条件。在此情况下尤其涉及达到尽可能高的切削速度。
[0030]尤其涉及在如下工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，即对于所述工件，滚剃加工鼻(SchMriIssel)或者说刀具主轴连同刀具必须较远地伸入工件内环中。在此情况下尤其涉及达到尽可能高的切削速度。
[0031]尤其涉及在相对于直径具有较大齿宽的工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，以及涉及达到尽可能高的切削速度，为此尽管狭窄的条件但仍须使用尽可能大的刀具且有效轴夹角尽可能大。
[0032]尤其涉及在具有内环的工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，在所述工件中，内环内径与所需要的滚剃加工鼻进入工件中的进入深度之比小于2。[0033]另外，所述方法和设备是鲁棒的并且适合用于例如在汽车行业中批量生产。
[0034]根据本发明，该任务通过一种方法得以解决，该方法被称为改良滚剃加工方法。所述改良滚剃加工方法涉及一种连续切削方法，其适合用于制造位于外侧和位于内侧的旋转对称的周期结构。如名称“滚剃加工”所表示的，在此涉及一种滚切方法。更确切地说，涉及一种连续滚切制齿方法。在此为了说明和设计展成传动链(Erzeugungsgetriebe)将滚剃加工与螺旋齿轮传动的运动学进行比较。
[0035]所述方法设计用于通过使用滚剃刀具滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件。在该滚剃加工方法中:
[0036]-使滚剃刀具连续围绕第一旋转轴线旋转，
[0037]—使工件连续并且同步于滚剃刀具地围绕第二旋转轴线旋转，
[0038]一使旋转的滚剃刀具相对于旋转的工件进行相对运动，
[0039]其中，
[0040]一在滚剃加工期间设定滚剃刀具的正或负的倾角，该倾角大于15度，
[0041]一第一旋转轴线相对于第二旋转轴线异面地延伸。
[0042]通过滚剃刀具和工件的耦合旋转和运动，在滚剃刀具和工件之间产生相对运动，该相对运动对应于螺旋齿轮传动的相对运动或近似于螺旋齿轮传动。
[0043]滚剃刀具在加工阶段中明显远离工件倾斜或明显朝向工件倾斜。
[0044]优选滚剃刀具在所有实施方式中明显远离工件上的齿部或周期结构倾斜或明显朝向工件上的齿部或周期结构倾斜。
[0045]倾角δ的数值优选在15度和45度之间的角度范围中并且优选在20度和35度之间。
[0046]本发明也可在工件仅允许小量超程时使用，例如用于具有环绕的、位于内侧或位于外侧的凸缘的构件或用于如下构件，即对于该构件，应在不贯通的空心圆柱体(盲孔)内制出位于内侧的旋转对称的周期结构。
[0047]本发明的改良滚剃加工方法的特征在于，这样预设和协调工件和滚剃刀具之间的相对运动过程(又称为相对运动)，即不产生碰撞。
[0048]所述相应的改良滚剃加工方法涉及一种连续的切削方法。如名称滚剃加工所表示的，在此涉及一种滚切方法，更准确地说，涉及一种连续滚切制齿方法。
[0049]优选在所有实施方式中使用滚剃轮状的滚剃刀具，该滚剃刀具与端面刀盘刀具(Stirnmesserkopf-Werkzeugen )明显不同。
[0050]根据本发明，滚剃刀具具有滚剃轮状的刀具区域，该刀具区域具有倾斜向外突出的呈切削齿形式的切削刃。
[0051]根据本发明，在制造位于外侧的周期结构时优选使用具有滚剃轮状的刀具区域的滚剃刀具，所述刀具区域具有呈插齿刀的形式、优选呈盘形插齿刀(Scheibenschneidrad)、维柄插齿刀(Schaftschneidrad)或碗形插齿刀(Scheiben-Glockenschneidrad)(例如根据 DIN3972 或 DIN5480)的形式。
[0052]根据本发明，在制造位于内侧的周期结构时优选使用滚剃加工鼻，其一方面较长(即允许尽可能大的进入深度)，以便足够深地伸入工件的内环中，并且另一方面具有尽可能大的(杆)直径，以便为滚剃加工鼻提供滚剃加工所需的刚度。[0053]优选在内齿部的所有实施方式中使用这样的滚剃刀具，即其与刀具主轴和/或适配器一起具有进入深度较大的鼻状形式。
[0054]根据本发明，滚剃加工鼻具有滚剃轮状的刀具区域，该刀具区域具有盘形插齿刀、锥柄插齿刀或碗形插齿刀(例如根据DIN3972或DIN5480)的形式。
[0055]另外，根据本发明在所有实施方式中预设尽可能大的有效轴夹角Σ#，以便达到足够的切削速度。该因素在工件尺寸较小时尤其重要。因为齿部直径是固定的并且机床的最大转速也是固定的，因而只能采取使有效轴夹角Σ eff足够大的措施。
[0056]根据本发明，滚剃刀具构造为所谓的整体刀具、即指基本上构造成一体的刀具，或者滚剃刀具也可构造为刀盘刀具(在此又称为杆状刀片一滚剃轮)，所述刀盘刀具具有刀盘基体，该刀盘基体装有优选呈杆状刀片形式的刀片嵌件。
[0057]根据本发明，滚剃刀具优选在所有实施方式中具有所谓的结构后角。也就是说，基于滚剃刀具的几何形状在考虑运动学的情况下预设后角。
[0058]本发明优选用于如下构件，即该构件具有所谓的相邻干扰轮廓(例如碰撞侧面)并且因此在大多数情况下不能采用传统的滚剃加工方法来制造。
[0059]本发明的基础在于:倾角δ的数值大于等于15度。也就是说，滚剃刀具相对于传统的滚剃加工方法更明显地倾斜。
[0060]借助所描述和所要求保护的改良滚剃加工方法和设备可制造各种不同的齿部以及其它周期结构。
[0061]为工件的圆柱形齿部预设前刀`面偏移e。
[0062]在改良滚剃加工中连续地去除工件上的材料，直到完全加工出齿或其它周期结构。
[0063]根据本发明的方法不仅可用于干式加工而且也可用于湿式加工。
[0064]改良滚剃加工不仅可用于加工外齿部。改良滚剃加工也可有利地用于制造内齿部。
[0065]改良滚剃加工不仅可用于在工件的热处理之前预制齿也可在热处理之后精整齿。也就是说，滚剃加工适合于软加工和硬(精)加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0066]下面借助实施例参考【专利附图】
【附图说明】本发明的其它细节和优点。在所有示意图(也包括在图74、78、8么、88、9么、98、1(^和IOB中的碰撞显示)中为简单起见将工件和滚剃刀具减少为基圆上的情况(或者说基于滚动圆柱体的工件的情况)。但所示情况也适用于具有一定齿高的整个齿部。附图如下:
[0067]图1示出在插齿加工时具有圆柱形外轮廓的插齿轮与带有外齿部的工件啮合的示意图；
[0068]图2示出在滚剃加工时具有圆柱形外轮廓的直齿滚剃轮与带有外齿部的工件啮合的示意图；
[0069]图3示出在滚剃加工时具有锥形外轮廓的斜齿滚剃轮与带有外齿部的工件啮合的不意图；
[0070]图4A示出锥形滚剃刀具在滚剃加工带有外齿部的工件时的示意性轴相交投影(接触面投影)，其中以传统方式预设轴夹角；
[0071]图4B示出根据图4A的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交侧向投影(接触面侧向投影);
[0072]图5示出另一锥形滚剃刀具在滚剃加工带有外齿部的工件时的示意图，其中滚剃刀具以传统方式不相对于工件倾斜；
[0073]图6A示出圆柱形滚剃刀具在滚剃加工带有外齿部的工件时的示意性轴相交投影，其中滚剃刀具以传统方式以小的角度远离工件倾斜并且形成前刀面偏移；
[0074]图6B示出根据图6A的圆柱形滚剃刀具和工件的示意性接触面侧向投影；
[0075]图7A示出锥形滚剃刀具在滚剃加工带有内齿部的工件时的示意图，其中预设有效轴夹角2rff=26度并且这导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0076]图7B示出根据图7A的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交背面投影(接触面背面投影)，所述投影清楚示出碰撞区域；
[0077]图8A示出圆柱形滚剃刀具在滚剃加工带有内齿部的工件时的示意图，其中滚剃刀具以26度的有效轴夹角以及12度的倾角倾斜并且尽管如此仍导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0078]图SB示出根据图8Α的圆柱形滚剃刀具和工件的示意性接触面投影，所述投影清楚示出碰撞区域；
[0079]图9Α示出锥形滚剃刀具在滚剃加工具有小量超程的带有外齿部的工件时的示意性轴相交侧向投影(接触面侧向投影)，其中以传统方式预设有效轴夹角Srff为18度并且这导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0080]图9Β示出根据图9Α的锥形滚剃刀具和工件的示意图，以便更清晰地示出碰撞；
[0081]图1OA示出另一锥形滚剃刀具在滚剃加工具有小量超程的带有外齿部的工件时的示意性接触面侧向投影，其中预设有效轴夹角Srff为18度并且滚剃刀具以倾角δ =-10度朝向工件倾斜并且尽管如此仍导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0082]图1OB示出根据图1OA的锥形滚剃刀具和工件的示意图，以便更清晰地示出碰撞;
[0083]图11示出用于外齿部的接触面BE及一些有关的角度和矢量；
[0084]图12示出锥形滚剃刀具相对于所谓的接触面具有明显的负倾角δ =— 25度的示意图；
[0085]图13示出锥形滚剃刀具相对于所谓的接触面具有明显的正倾角δ =25度的示意图；
[0086]图14Α示出锥形滚剃刀具在改良地滚剃加工带有外齿部的圆柱形工件时的示意图，其中滚剃刀具明显朝向工件倾斜(倾角S = — 20度；锥角=30度)；
[0087]图14Β示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的另一示意图；
[0088]图14C示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交投影；
[0089]图14D示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交侧向投影；
[0090]图14Ε示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的示意性接触面侧向投影；
[0091]图15Α示出圆柱形滚剃刀具在改良地滚剃加工带有内齿部的圆柱形工件时的示意图，其中滚剃刀具明显远离工件倾斜(倾角S =20度)；[0092]图15B示出根据图15A的工件和锥形滚剃刀具一起的另一示意性轴相交侧视图；
[0093]图16A示出锥形滚剃刀具在改良地滚剃加工具有小量超程的带有外齿部的圆柱形工件时的示意图，其中滚剃刀具明显朝向工件倾斜(倾角S =- 24度；锥角=34度)；
[0094]图16B示出根据图16A的锥形滚剃刀具和工件的另一示意图；
[0095]图17示出滚剃刀具的一种实施方式的透视图；
[0096]图18A示出锥形变细的滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具在本发明的范围内可用于一 20度的倾角δ ；
[0097]图18Β示出根据图18Α的滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设一 20度的倾角δ ；
[0098]图19示出滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设+20度的倾角δ ；
[0099]图20示出呈插齿刀一整体刀具形式的滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具适合用于约一 20度的倾角δ ；
[0100]图21Α示出呈插齿刀一整体刀具形式的滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具适合用于明显的正倾角δ ；
[0101]图21Β示出根据图21Α的滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设约十20度的倾角δ ；
[0102]图22Α示出呈插齿刀一整体刀具形式的另一滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具适合用于明显的负倾角δ ；
[0103]图22Β示出根据图22Α的滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设约一 20度的倾角δ ；
[0104]图23示出根据本发明的具有滚剃刀具的机床在为带有内齿部的工件制齿时的简化示意图。
【具体实施方式】
[0105]在本说明书中所使用的术语也被用于相关的出版物和专利中。然而应指出，这些术语的使用仅仅是为了更好地理解。本发明的构思和权利要求的保护范围不应被这些特定选择的术语局限于该解释中。本发明可毫无问题地应用到其它术语系统和/或专业领域中。在其它专业领域中应按意义使用这些术语。
[0106]旋转对称的周期结构例如是具有内齿部和/或外齿部的齿轮。然而也可以是制动盘、离合器元件或变速器元件和类似物。滚剃刀具尤其适合用于制造小齿轮轴、蜗杆、内齿轮、齿轮泵、环形铰链套节(Ringgelenknabe)(环形铰链例如在汽车领域中用于将力从差速器传递到车轮上)、花键轴连接装置、滑动套筒、皮带轮和类似物。所述周期结构在此也被称为周期重复结构。
[0107]接下来主要说明齿轮、轮齿和齿隙。但本发明也可如上所述用于具有其它周期结构的其它构件。所述其它构件在此情况下不涉及齿隙而是例如涉及凹槽或沟纹。
[0108]本发明涉及一种所谓的改良滚剃加工方法，其中，滚剃刀具100明显朝向工件50或60倾斜或明显远离工件50或70倾斜。下面首先说明设计该明显倾斜的滚剃加工过程的基础。[0109]原则上，在滚剃加工时滚剃刀具100和工件50、60、70之间的相对运动对应于螺旋齿轮传动、又称为展成螺旋式齿轮传动。所述螺旋齿轮传动为空间传动。
[0110]因此滚剃加工过程的基础设计如同设计传动机构时那样在所谓的设计点AP上进行。所述基础设计在此理解为滚剃刀具100关于工件50、60、70的空间布置和运动的确定(即运动学方面)以及滚剃刀具100的几何形状的基本参数(如直径和螺旋角)的确定(即刀具基础几何形状方面)。
[0111]目前在设计倾斜刀具的滚剃加工过程时通过观察不倾斜的刀具在设计点AP上的啮合条件来确定刀具基础几何形状(如直径和螺旋角)。之后迄今借助前刀面偏移使由此确定的刀具处于倾斜位置。为了确定所产生的精确的切削几何形状在此已知不同的措施。对于产生运动学后角常见的最大达10度的倾角δ而言，这些措施目前被视为合理的，这是因为由于COS (10度)~0.98，有效轴夹角Srff与轴夹角Σ的偏差极小并且因此可忽略。在此情况下倾斜和不倾斜的刀具之间的啮合条件区别不明显。
[0112]尽可能最佳地设计在设计点AP上的几何形状和运动学的啮合条件。啮合条件随着距设计点AP距离的增加而变化。在此滚剃加工是一种极为复杂的方法，其中，啮合条件也随着切削刃的运动而连续变化。但可通过设计点AP上的啮合条件有针对性地影响变化的啮合条件。
[0113]因此设计点AP上的啮合条件的正确设计在滚剃加工过程的设计中意义重大。
[0114]在改良滚剃加工方法中如下规定。随着倾角δ的数值的增大，有效轴夹角与轴夹角Σ的偏差也增大。对于数值大于15度的倾角δ，倾斜和不倾斜的滚剃刀具100之间的啮合条件区别明显。研究表明，处于不倾斜状态的滚剃刀具100的设计不能为滚剃刀具100明显倾斜时的加工提供足够好的切削条件。例如当在设计中用轴夹角Σ代替有效轴夹角Srff来求出滚剃刀具100的基圆直径dwl时，会破坏“切削方向条件”，该切削方向条件确保切削速度矢量^指向待产生的齿隙的倾斜方向。
[0115]根据本发明提出:在考虑预期的具有明显倾斜的空间布置的情况下直接设计滚剃刀具。为此必须在考虑空间传动的接触面BE中的切削条件的情况下设计设计点AP中的啮合条件。
[0116]关于轴布置的术语:
[0117]为了确定轴布置需要多个术语。这些术语在下表中说明。
[0118]
【权利要求】
1.一种用于通过使用滚剃刀具(100)滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件(50 ；.60 ；70)的方法，包括在滚剃加工期间实施的下述步骤: 一使滚剃刀具(100)相对于工件(50 ；60 ；70)耦合地进行相对运动， 一使滚剃刀具(100)围绕第一旋转轴线(Rl)旋转并且使工件(50 ；60 ；70)围绕第二旋转轴线(R2)旋转， 其中， 一在滚剃加工期间设定滚剃刀具(100)的正或负的倾角(δ )，该倾角的数值大于等于15度，并且第一旋转轴线(Rl)相对于第二旋转轴线(R2)异面延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)和工件(50；60 ；70)的耦合运动这样进行，即在滚剃加工期间在滚剃刀具(100)和工件(50 ；60 ;70)之间产生的相对运动对应于螺旋齿轮传动的相对运动。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)在加工阶段中朝向工件(50 ；60 ；70)的方向倾斜，其中，倾角(δ )优选在一 15度和一 45度之间的角度范围中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)在加工阶段中远离工件(50 ；60 ；70)的方向倾斜，其中，倾角(δ )优选在+ 15度和+ 45度之间的角度范围中。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)具有多个切削齿(111)，其中，每个切削齿(111)具有结构后角。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在运动学一结构方面的刀头后角(aKiK。)为在运动学上广生的负后角(α Ki)和在结构上的刀具后角(α K。)之和。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述旋转对称的周期结构是工件(50 ；60 ；70)的内齿部或外齿部。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述工件(50；60 ;70)为圆柱形工件，并且预设前刀面偏移(e)。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述工件(50；60 ;70)为仅具有小量超程的工件(60)。
10.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述工件(50；60 ；70)为具有内环(71)的工件(70)，并且滚剃刀具(100)为滚剃加工鼻，其中，内环(71)的内径与所要求的滚剃加工鼻进入工件(70)中的进入深度之比小于2。
11.一种用于通过使用滚剃刀具(100)滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件(50 ；.60 ；70)的设备(200)，包括: 一用于固定滚剃刀具(100)的刀具主轴(170)， 一滚剃刀具(100)， 一用于固定工件(50 ；60 ；70)的工件主轴(180)， 一用于耦合地实施相对运动并且用于使滚剃刀具(100)连同刀具主轴(170)围绕第一旋转轴线(Rl)以及使工件(50 ；60 ;70)连同工件主轴(180)围绕第二旋转轴线(R2)耦合地旋转的数控驱动装置， 其中，所述设备(200)具有数字控制装置(201)或能够与数字控制装置(201)连接，该数字控制装置设计用于在滚剃加工期间预设大于等于15度的倾角(δ )并且使第一旋转轴线(Rl)相对于第二旋转轴线(R2)异面。
12.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述滚剃刀具(100)具有滚剃轮状的刀具区域(101)，该刀具区域具有倾斜地向外突出的呈切削齿(111)形式的切削刃。
13.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述滚剃刀具(100)具有滚剃轮状的刀具区域(101)，该刀具区域具有插齿刀的形式、优选盘形插齿刀、碗形插齿刀或锥柄插齿刀的形式。
14.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述数字控制装置(201)设计用于使滚剃刀具(100)在滚剃加工期间沿朝向工件(50 ；60 ；70)的方向倾斜，其中，倾角(δ )优选在一 15度和一 45度之间的角度范围中。
15.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述数字控制装置(201)设计用于使滚剃刀具(100)在滚剃加工期间远离工件(50 ；60 ;70)倾斜，其中，倾角(δ )优选在+15度和+ 45度之间的角度范围中。
16.根据权利要求10至14之一所述的设备(200)，其特征在于，所述设备(200)为六轴机床。
17.根据权利要求10至14之一所述的设备(200)，其特征在于，所述滚剃刀具(100)为整体刀具或杆状刀片一滚剃轮。
18.根据权利要求10至14之一所述的设备(200)，其特征在于，所述数字控制装置(201)设计用于实施根据权利要求1至10之一所述的方法。
【文档编号】B23F5/16GK103501945SQ201280021620
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】O·福格尔 申请人:克林格伦贝格股份公司
【专利摘要】本发明涉及一种用于通过使用滚剃刀具（100）滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件（70）的方法和设备。在滚剃加工时滚剃刀具（100）相对于工件（70）进行耦合的相对运动，并且滚剃刀具（100）围绕第一旋转轴线（R1）旋转。工件（70）围绕第二旋转轴线（R2）旋转，其中，在滚剃加工期间设定数值大于15度的倾角（δ），并且第一旋转轴线（R1）相对于第二旋转轴线（R2）异面延伸。
【专利说明】用于滚剃加工的方法和相应的具有滚剃刀具的设备
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及一种用于滚剃加工《WiilzschaIen )齿部或其它周期结构的方法和一种相应的具有滚剃刀具的设备。
【背景技术】
[0002]已有许多用于制造齿轮的方法。切削式软预加工分为滚削(英文为hobbing)、插齿加工(英文为gear shaping)、刨削(英文为generating planing)和滚剃加工(英文为powerskiving)。滚削和滚剃加工是所谓的连续方法，这在下面还将详细说明。
[0003]齿轮的切削制造被分为单齿分度方法(亦称为断续分度方法,英文为intermittedindexing process或single indexing process)和连续方法,该连续方法有时也称为连续分度方法(英文为 continuous indexing process 或 face hobbing)。
[0004]在连续方法中例如使用具有相应刀片的刀具来切削工件外周面。工件在一次装夹下被连续地、即在无间断的方法中切削完成。连续方法基于复杂、耦合的运动过程，在其中刀具和待加工工件彼此相对进行连续的分度运动。该分度运动由相应机床的多个轴驱动装置的协调或者说耦合的驱动产生。
[0005]在单齿分度方法中加工一个齿隙，然后进行例如刀具的相对运动和所谓的分度运动(分度旋转)，在其中工件相对于刀具旋转，之后加工下一齿隙。如此逐步制出齿轮。
[0006]开始提到的插齿加工方法可通过圆柱齿轮传动来说明或显示，因为插齿刀具I的旋转轴线Rl和工件2的旋转轴线R2之间的夹角(也称为轴夹角)为零度，如图1示意所示。当轴夹角为零度时，两个旋转轴线Rl和R2平行延伸。工件2和插齿刀具I连续围绕其旋转轴线R2或Rl旋转。插齿刀具I除了旋转运动外还附加地进行升降运动(该升降运动在图1中通过双向箭头Shx来表示)并且在该升降运动中从工件2上去除切屑。
[0007]—段时间以前重新采用一种方法，该方法被称为滚剃加工。其溯源约有100年历史。第一个关于该主题的申请号是DE243514的专利申请可追溯到1912年。在最初几年的思考和研究之后不再努力追求继续改良滚剃加工。到目前为止，为了找到适合用于滚剃加工方法的刀具几何形状，需要复杂的过程，该过程部分地来自于经验。
[0008]大约在20世纪80年代中期，重新使用滚剃加工。只有借助当今的仿真方法和现代的CNC机床控制才能将滚剃加工原理转用为高产、可重复和鲁棒的方法。另外还源于当今刀具材料的高耐磨性、现代机床的极高的静力学和运动学刚性以及同步运行的高品质。
[0009]现在在滚剃加工时，如图2所示，在滚剃刀具10 (又称为滚剃轮)的旋转轴线Rl和工件20的旋转轴线R2之间预设不等于零的轴夹角Σ。滚剃刀具10和工件20之间所产生的相对运动是螺旋运动，该螺旋运动可分解为旋转分量(转动分量)和进给分量(平移分量)。作为驱动技术模拟可观察展成螺旋式齿轮传动(WMzsehraubgetriebe)?其中
旋转分量对应于齿面的滚动，进给运动对应于齿面的滑动。轴夹角?的数值越大，加工工件20所需的平移运动分量越大。平移运动分量引起滚剃刀具?ο的切削刃沿工件20齿面方向的运动分量。因此在滚剃加工时，利用螺旋齿轮等效传动的相互啮合的齿轮的啮合相对运动的滑动分量来实施切削运动。在滚剃加工时仅需要缓慢的轴向进给(也称为轴向进刀)并且因此省略所谓的插齿运动，该插齿运动对于插齿而言是典型的。因此在滚剃加工时不出现回程运动。
[0010]滚剃加工时的切削速度直接受到滚剃刀具10或工件20的转速和所使用的旋转轴线Rl和R2的轴夹角Σ的影响。因此轴夹角Σ以及进而滑动分量应这样选择，即在转速给定的情况下为材料加工实现最佳的切削速度。
[0011]已知滚剃加工方法的运动过程和其它细节可由已经提到的示意性显示的图2获知。图2示出在圆柱形工件20上滚剃加工外齿部。工件20和刀具10(在此为圆柱形滚剃刀具10)沿相反方向旋转。
[0012]还存在其它的相对运动。为了能够用刀具10加工工件20的整个齿宽，需要轴向进给Sax。当希望在工件20上加工斜齿时(B卩β2#0)，则在轴向进给Sax上叠加差动进给SD。径向进给Srad可作为进刀运动实施。径向进给Srad也可用来例如影响工件20的齿凸度。
[0013]在滚剃加工时切削速度矢量f S本上是刀具10和工件20的旋转轴线R1、R2的两
个以轴夹角Σ相互倾斜的速度矢量焉和1?2的差。是刀具10圆周上的速度矢量，P2是工
件20圆周上的速度矢量。因此滚剃加工过程的切削速度V。可通过轴夹角Σ和螺旋齿轮等效传动中的转速来改变。轴向进给Sax仅对切削速度V。产生很小的影响，该影响可忽略
并且因此未在图2的矢量匕和^的矢量图中示出。
[0014]在图3中示出用锥形滚剃刀具10滚剃加工工件20的外齿部。在图3中再次示出轴夹角Σ、切削速度矢量fe、 刀具10圆周上的速度矢量^和工件20圆周上的速度矢量V2以及刀具10的螺旋角β !和工件20的螺旋角β 2。与图2不同，螺旋角β 2在此不等于零。刀具10的齿顶在图3中用附图标记4来表示。齿工作面在图3中用附图标记5来表示。两个旋转轴线Rl和R2不相交，而是彼此异面设置。在锥形滚剃刀具10中，设计点AP目前通常选择在两个旋转轴线Rl和R2的公垂线上，这是因为无需使滚剃刀具10倾斜以形成后角。设计点AP在此与所谓的接触点重合。在设计点AP中螺旋齿轮等效传动的各基圆接触。
[0015]为了——例如在使用现代切削材料如硬金属进行干式加工时——尽可能提高滚剃加工的生产率，滚剃刀具和工件之间的相对运动的滑动分量必须产生足够高的切削速度。切削速度V。在滚剃加工情况下直接受到螺旋齿轮等效传动的旋转速度、有效的工件或刀具半径以及旋转轴线Rl和R2的轴夹角Σ的影响。可能的旋转速度在此通过所使用的加工机床(滚剃加工机)的所允许的转速来限制。工件尺寸不变地预先确定。可能的刀具尺寸通过所使用的加工机床(滚剃加工机)的工作空间并且在加工内齿部时亦通过该齿部的内部空间本身来限制。因此通常只能通过相应大的轴夹角Σ来产生足够高的切削速度。
[0016]然而在实践中，轴夹角Σ不能任意预设，这是因为除了纯矢量分析叠加的不同运动外还存在一系列其它不得不考虑的因素。在下面的段落中说明这些必须被考虑的额外因素。
[0017]在滚剃加工时使用刀具10，该刀具具有至少一个几何形状确定的切削刃。所述切削刃在图2和图3中未示出。切削刃的形状和布置属于在实践中在具体设计时必须考虑的因素。
[0018]另外，刀具本身在滚剃加工时影响重大。滚剃刀具10在图2所示例子中具有直齿圆柱齿轮的形式。基体的外轮廓在图2中是圆柱形的。但该外轮廓也可是锥状(亦称锥形)的，如图3所示。由于滚剃刀具10的齿在整个切削边长度上啮合，所以刀具10的每个齿在切削边上需要足够的后角。
[0019]如以直齿或斜齿的锥形滚剃刀具10为出发点，如图4A和4B所示，可以看到，这种滚剃刀具10基于滚剃刀具10的锥形基本形状具有所谓的结构后角。也就是说，基于滚剃刀具10的几何形状预设锥形滚剃刀具10齿顶和齿面上的后角。但锥形滚剃刀具10的切削刃轮廓必须满足特定条件，以便能够进行精磨。在图4A和4B中示出在加工工件20的外齿部的情况下的锥形滚剃刀具10。所谓的结构后角a Ko可在图4B中在锥形滚剃刀具10的切割刃顶部上看到。轴交点AK与滚剃刀具10和工件20的基圆的接触点BP在图4Α中重合并且位于旋转轴线Rl和R2的公垂线GL上(在图4Α和4Β中不可见或者说未示出)。
[0020]在图5中示出直齿或斜齿锥形滚剃刀具10和圆柱形工件20的另一视图，在此这样选择图5的视图，使得两个旋转轴线Rl和R2平行延伸，但两个轴线Rl和R2相对彼此异面。在图5中可见两个轴线Rl和R2的公垂线GL。如图5所示，接触点BP位于公垂线GL上。
[0021]在图6Α和6Β中示出圆柱形滚剃刀具10和带有外齿部的圆柱形工件20的情况。滚剃刀具10不仅相对于工件20的旋转轴线R2异面设置(如在图6Α中借助相应的轴夹角Σ可见)，而且这样相对于工件20定位，即滚剃刀具以小的角度aKi远离工件倾斜(如图6Β清晰可见)。由于滚剃刀具10的远离倾斜，可产生有效后角，该后角在图6B中是针对顶刃的角aKi。在刀具的侧刃上也因该远离倾斜而产生有效后角。但该后角小于顶刃上的后角。通常，该后角仅为顶刃上的后角的一半大。
[0022]如以直齿或斜齿圆柱形滚剃刀具10为出发点，如图6A和6B所示，可以看出，这种滚剃刀具10由结构决定在齿顶以及齿面上都不具有所谓的结构后角。如这种圆柱形滚剃刀具10以传统方式被装夹，则没有后角。通过使滚剃刀具10远离倾斜可产生运动学后角，如上所述。在实践中滚剃刀具10的远离倾斜通过滚剃刀具10在机床中的偏心装夹来实现，以便使前刀面偏移离开轴交点AK。滚剃刀具10和工件20的基圆的接触点BP因滚剃刀具10的远离倾斜而不再位于旋转轴线Rl和R2的公垂线上。该相应的偏移(英文为offset)又称为前刀面偏移e并且在图6A中可见。滚剃刀具10的远离倾斜越大，则有效后角就越大。滚剃加工所需的后角在3度和5度之间的范围中。为了预设所述后角，圆柱形滚剃刀具10需要并且在实践中通常远离倾斜最大达10度。
[0023]在图7A和7B中示出工件30的一个例子，该工件具有圆柱形内环31，所述内环31在图7A的俯视图中仅被示为圆。需要在使用锥形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在内环31内部制出内齿部。工件30的齿宽与工件30的基圆直径dw2之比在此约为0.62。为了达到足够的切削速度V。，需要至少26度的有效轴夹角Σ@。在图7Α和7Β中示出有效轴夹角Seff = 26度的情况。不仅从图7Α而且从图7Β可见，锥形滚剃刀具10在有效轴夹角Seff为26度时在迄今通常不倾斜的装夹中会与内环31碰撞。在图7Α和7Β中通过椭圆KB示意示出碰撞区域。[0024]在图8A和8B中示出工件30的一个例子，该刀具具有圆柱形内环31，所述内环31在图8A的俯视图中仅被示为圆。需要在使用圆柱形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在内环31内部制出内齿部。为了达到足够的切削速度V。，也需要至少26度的有效轴夹角Σeff。在图8Α和8Β中示出有效轴夹角Σeff = 26度并且倾角δ = 12度的情况。不仅从图8Α而且从8B可见，圆柱形滚剃刀具10在该情况下尽管设置12度的倾角δ但仍会与内环31碰撞。在图8Β中通过椭圆KB示意示出碰撞区域。
[0025]在图9Α和9Β中示出工件20的一个例子，该工件具有第一圆柱形区段21和第二圆柱形区段22，在此应在使用锥形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在第一圆柱形区段21上制出外齿部。工件20例如可以是具有直径不同的区域的轴。为了达到足够的切削速度V。，在此需要至少18度的有效轴夹角Σeff。不仅从图9Α而且从图9Β可见，锥形滚剃刀具10 (在此锥角为10度)在有效轴夹角Seff为18度时在所示常见的装夹中会与工件20的第二圆柱形区段22碰撞。在图9Β中通过椭圆KB示意示出该碰撞区域。
[0026]在图1OA和IOB中再次示出根据图9Α和9Β的工件20，该工件具有第一圆柱形区段21和第二圆柱形区段22，在此应在使用锥形滚剃刀具10的情况下通过滚剃加工在第一圆柱形区段21上制出外齿部。在此使用类似于图9Α和9Β的锥形滚剃刀具10，所述滚剃刀具10在当前情况下具有20度的锥角。为了达到足够的切削速度V。，在此也需要至少18度的有效轴夹角Σeff。滚剃刀具10以倾角δ =- 10度朝向工件20倾斜。不仅从图1OA而且从10B可见，锥形滚剃刀具10在有效轴夹角Σ eff为18度时在所示装夹中会与工件20的第二圆柱形区段22碰撞。这种装夹由以本申请 申请人:的名义以名称“滚剃加工方法和相应的具有滚剃刀具的装置”在同一天提交的欧洲共同申请公开。在图10B中通过椭圆KB示意示出该碰撞区域。
[0027]在圆柱形滚剃刀具10的情况下也会发生碰撞，该情况由于所需要的远离工件的倾斜而更糟。
【发明内容】
[0028]本发明的任务在于，提供一种用于切削加工齿轮齿面或其它周期结构的方法和设备，其尤其适合于加工仅允许小量超程的工件。
[0029]本发明的任务还在于，提供一种用于切削加工内齿齿轮齿面或其它位于内侧的周期结构的方法和设备。尤其涉及在如下工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，即所述工件相对于迄今所使用的刀具尺寸具有较小的内径和/或在待加工的内部区域中具有狭窄的条件。在此情况下尤其涉及达到尽可能高的切削速度。
[0030]尤其涉及在如下工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，即对于所述工件，滚剃加工鼻(SchMriIssel)或者说刀具主轴连同刀具必须较远地伸入工件内环中。在此情况下尤其涉及达到尽可能高的切削速度。
[0031]尤其涉及在相对于直径具有较大齿宽的工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，以及涉及达到尽可能高的切削速度，为此尽管狭窄的条件但仍须使用尽可能大的刀具且有效轴夹角尽可能大。
[0032]尤其涉及在具有内环的工件上加工内齿部或其它位于内侧的周期结构，在所述工件中，内环内径与所需要的滚剃加工鼻进入工件中的进入深度之比小于2。[0033]另外，所述方法和设备是鲁棒的并且适合用于例如在汽车行业中批量生产。
[0034]根据本发明，该任务通过一种方法得以解决，该方法被称为改良滚剃加工方法。所述改良滚剃加工方法涉及一种连续切削方法，其适合用于制造位于外侧和位于内侧的旋转对称的周期结构。如名称“滚剃加工”所表示的，在此涉及一种滚切方法。更确切地说，涉及一种连续滚切制齿方法。在此为了说明和设计展成传动链(Erzeugungsgetriebe)将滚剃加工与螺旋齿轮传动的运动学进行比较。
[0035]所述方法设计用于通过使用滚剃刀具滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件。在该滚剃加工方法中:
[0036]-使滚剃刀具连续围绕第一旋转轴线旋转，
[0037]—使工件连续并且同步于滚剃刀具地围绕第二旋转轴线旋转，
[0038]一使旋转的滚剃刀具相对于旋转的工件进行相对运动，
[0039]其中，
[0040]一在滚剃加工期间设定滚剃刀具的正或负的倾角，该倾角大于15度，
[0041]一第一旋转轴线相对于第二旋转轴线异面地延伸。
[0042]通过滚剃刀具和工件的耦合旋转和运动，在滚剃刀具和工件之间产生相对运动，该相对运动对应于螺旋齿轮传动的相对运动或近似于螺旋齿轮传动。
[0043]滚剃刀具在加工阶段中明显远离工件倾斜或明显朝向工件倾斜。
[0044]优选滚剃刀具在所有实施方式中明显远离工件上的齿部或周期结构倾斜或明显朝向工件上的齿部或周期结构倾斜。
[0045]倾角δ的数值优选在15度和45度之间的角度范围中并且优选在20度和35度之间。
[0046]本发明也可在工件仅允许小量超程时使用，例如用于具有环绕的、位于内侧或位于外侧的凸缘的构件或用于如下构件，即对于该构件，应在不贯通的空心圆柱体(盲孔)内制出位于内侧的旋转对称的周期结构。
[0047]本发明的改良滚剃加工方法的特征在于，这样预设和协调工件和滚剃刀具之间的相对运动过程(又称为相对运动)，即不产生碰撞。
[0048]所述相应的改良滚剃加工方法涉及一种连续的切削方法。如名称滚剃加工所表示的，在此涉及一种滚切方法，更准确地说，涉及一种连续滚切制齿方法。
[0049]优选在所有实施方式中使用滚剃轮状的滚剃刀具，该滚剃刀具与端面刀盘刀具(Stirnmesserkopf-Werkzeugen )明显不同。
[0050]根据本发明，滚剃刀具具有滚剃轮状的刀具区域，该刀具区域具有倾斜向外突出的呈切削齿形式的切削刃。
[0051]根据本发明，在制造位于外侧的周期结构时优选使用具有滚剃轮状的刀具区域的滚剃刀具，所述刀具区域具有呈插齿刀的形式、优选呈盘形插齿刀(Scheibenschneidrad)、维柄插齿刀(Schaftschneidrad)或碗形插齿刀(Scheiben-Glockenschneidrad)(例如根据 DIN3972 或 DIN5480)的形式。
[0052]根据本发明，在制造位于内侧的周期结构时优选使用滚剃加工鼻，其一方面较长(即允许尽可能大的进入深度)，以便足够深地伸入工件的内环中，并且另一方面具有尽可能大的(杆)直径，以便为滚剃加工鼻提供滚剃加工所需的刚度。[0053]优选在内齿部的所有实施方式中使用这样的滚剃刀具，即其与刀具主轴和/或适配器一起具有进入深度较大的鼻状形式。
[0054]根据本发明，滚剃加工鼻具有滚剃轮状的刀具区域，该刀具区域具有盘形插齿刀、锥柄插齿刀或碗形插齿刀(例如根据DIN3972或DIN5480)的形式。
[0055]另外，根据本发明在所有实施方式中预设尽可能大的有效轴夹角Σ#，以便达到足够的切削速度。该因素在工件尺寸较小时尤其重要。因为齿部直径是固定的并且机床的最大转速也是固定的，因而只能采取使有效轴夹角Σ eff足够大的措施。
[0056]根据本发明，滚剃刀具构造为所谓的整体刀具、即指基本上构造成一体的刀具，或者滚剃刀具也可构造为刀盘刀具(在此又称为杆状刀片一滚剃轮)，所述刀盘刀具具有刀盘基体，该刀盘基体装有优选呈杆状刀片形式的刀片嵌件。
[0057]根据本发明，滚剃刀具优选在所有实施方式中具有所谓的结构后角。也就是说，基于滚剃刀具的几何形状在考虑运动学的情况下预设后角。
[0058]本发明优选用于如下构件，即该构件具有所谓的相邻干扰轮廓(例如碰撞侧面)并且因此在大多数情况下不能采用传统的滚剃加工方法来制造。
[0059]本发明的基础在于:倾角δ的数值大于等于15度。也就是说，滚剃刀具相对于传统的滚剃加工方法更明显地倾斜。
[0060]借助所描述和所要求保护的改良滚剃加工方法和设备可制造各种不同的齿部以及其它周期结构。
[0061]为工件的圆柱形齿部预设前刀`面偏移e。
[0062]在改良滚剃加工中连续地去除工件上的材料，直到完全加工出齿或其它周期结构。
[0063]根据本发明的方法不仅可用于干式加工而且也可用于湿式加工。
[0064]改良滚剃加工不仅可用于加工外齿部。改良滚剃加工也可有利地用于制造内齿部。
[0065]改良滚剃加工不仅可用于在工件的热处理之前预制齿也可在热处理之后精整齿。也就是说，滚剃加工适合于软加工和硬(精)加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0066]下面借助实施例参考【专利附图】
【附图说明】本发明的其它细节和优点。在所有示意图(也包括在图74、78、8么、88、9么、98、1(^和IOB中的碰撞显示)中为简单起见将工件和滚剃刀具减少为基圆上的情况(或者说基于滚动圆柱体的工件的情况)。但所示情况也适用于具有一定齿高的整个齿部。附图如下:
[0067]图1示出在插齿加工时具有圆柱形外轮廓的插齿轮与带有外齿部的工件啮合的示意图；
[0068]图2示出在滚剃加工时具有圆柱形外轮廓的直齿滚剃轮与带有外齿部的工件啮合的示意图；
[0069]图3示出在滚剃加工时具有锥形外轮廓的斜齿滚剃轮与带有外齿部的工件啮合的不意图；
[0070]图4A示出锥形滚剃刀具在滚剃加工带有外齿部的工件时的示意性轴相交投影(接触面投影)，其中以传统方式预设轴夹角；
[0071]图4B示出根据图4A的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交侧向投影(接触面侧向投影);
[0072]图5示出另一锥形滚剃刀具在滚剃加工带有外齿部的工件时的示意图，其中滚剃刀具以传统方式不相对于工件倾斜；
[0073]图6A示出圆柱形滚剃刀具在滚剃加工带有外齿部的工件时的示意性轴相交投影，其中滚剃刀具以传统方式以小的角度远离工件倾斜并且形成前刀面偏移；
[0074]图6B示出根据图6A的圆柱形滚剃刀具和工件的示意性接触面侧向投影；
[0075]图7A示出锥形滚剃刀具在滚剃加工带有内齿部的工件时的示意图，其中预设有效轴夹角2rff=26度并且这导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0076]图7B示出根据图7A的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交背面投影(接触面背面投影)，所述投影清楚示出碰撞区域；
[0077]图8A示出圆柱形滚剃刀具在滚剃加工带有内齿部的工件时的示意图，其中滚剃刀具以26度的有效轴夹角以及12度的倾角倾斜并且尽管如此仍导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0078]图SB示出根据图8Α的圆柱形滚剃刀具和工件的示意性接触面投影，所述投影清楚示出碰撞区域；
[0079]图9Α示出锥形滚剃刀具在滚剃加工具有小量超程的带有外齿部的工件时的示意性轴相交侧向投影(接触面侧向投影)，其中以传统方式预设有效轴夹角Srff为18度并且这导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0080]图9Β示出根据图9Α的锥形滚剃刀具和工件的示意图，以便更清晰地示出碰撞；
[0081]图1OA示出另一锥形滚剃刀具在滚剃加工具有小量超程的带有外齿部的工件时的示意性接触面侧向投影，其中预设有效轴夹角Srff为18度并且滚剃刀具以倾角δ =-10度朝向工件倾斜并且尽管如此仍导致滚剃刀具和工件之间的碰撞；
[0082]图1OB示出根据图1OA的锥形滚剃刀具和工件的示意图，以便更清晰地示出碰撞;
[0083]图11示出用于外齿部的接触面BE及一些有关的角度和矢量；
[0084]图12示出锥形滚剃刀具相对于所谓的接触面具有明显的负倾角δ =— 25度的示意图；
[0085]图13示出锥形滚剃刀具相对于所谓的接触面具有明显的正倾角δ =25度的示意图；
[0086]图14Α示出锥形滚剃刀具在改良地滚剃加工带有外齿部的圆柱形工件时的示意图，其中滚剃刀具明显朝向工件倾斜(倾角S = — 20度；锥角=30度)；
[0087]图14Β示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的另一示意图；
[0088]图14C示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交投影；
[0089]图14D示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的示意性轴相交侧向投影；
[0090]图14Ε示出根据图14Α的锥形滚剃刀具和工件的示意性接触面侧向投影；
[0091]图15Α示出圆柱形滚剃刀具在改良地滚剃加工带有内齿部的圆柱形工件时的示意图，其中滚剃刀具明显远离工件倾斜(倾角S =20度)；[0092]图15B示出根据图15A的工件和锥形滚剃刀具一起的另一示意性轴相交侧视图；
[0093]图16A示出锥形滚剃刀具在改良地滚剃加工具有小量超程的带有外齿部的圆柱形工件时的示意图，其中滚剃刀具明显朝向工件倾斜(倾角S =- 24度；锥角=34度)；
[0094]图16B示出根据图16A的锥形滚剃刀具和工件的另一示意图；
[0095]图17示出滚剃刀具的一种实施方式的透视图；
[0096]图18A示出锥形变细的滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具在本发明的范围内可用于一 20度的倾角δ ；
[0097]图18Β示出根据图18Α的滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设一 20度的倾角δ ；
[0098]图19示出滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设+20度的倾角δ ；
[0099]图20示出呈插齿刀一整体刀具形式的滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具适合用于约一 20度的倾角δ ；
[0100]图21Α示出呈插齿刀一整体刀具形式的滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具适合用于明显的正倾角δ ；
[0101]图21Β示出根据图21Α的滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设约十20度的倾角δ ；
[0102]图22Α示出呈插齿刀一整体刀具形式的另一滚剃刀具的简化示意图，该滚剃刀具适合用于明显的负倾角δ ；
[0103]图22Β示出根据图22Α的滚剃刀具与带有外齿部的圆柱形工件一起的简化示意图，其中预设约一 20度的倾角δ ；
[0104]图23示出根据本发明的具有滚剃刀具的机床在为带有内齿部的工件制齿时的简化示意图。
【具体实施方式】
[0105]在本说明书中所使用的术语也被用于相关的出版物和专利中。然而应指出，这些术语的使用仅仅是为了更好地理解。本发明的构思和权利要求的保护范围不应被这些特定选择的术语局限于该解释中。本发明可毫无问题地应用到其它术语系统和/或专业领域中。在其它专业领域中应按意义使用这些术语。
[0106]旋转对称的周期结构例如是具有内齿部和/或外齿部的齿轮。然而也可以是制动盘、离合器元件或变速器元件和类似物。滚剃刀具尤其适合用于制造小齿轮轴、蜗杆、内齿轮、齿轮泵、环形铰链套节(Ringgelenknabe)(环形铰链例如在汽车领域中用于将力从差速器传递到车轮上)、花键轴连接装置、滑动套筒、皮带轮和类似物。所述周期结构在此也被称为周期重复结构。
[0107]接下来主要说明齿轮、轮齿和齿隙。但本发明也可如上所述用于具有其它周期结构的其它构件。所述其它构件在此情况下不涉及齿隙而是例如涉及凹槽或沟纹。
[0108]本发明涉及一种所谓的改良滚剃加工方法，其中，滚剃刀具100明显朝向工件50或60倾斜或明显远离工件50或70倾斜。下面首先说明设计该明显倾斜的滚剃加工过程的基础。[0109]原则上，在滚剃加工时滚剃刀具100和工件50、60、70之间的相对运动对应于螺旋齿轮传动、又称为展成螺旋式齿轮传动。所述螺旋齿轮传动为空间传动。
[0110]因此滚剃加工过程的基础设计如同设计传动机构时那样在所谓的设计点AP上进行。所述基础设计在此理解为滚剃刀具100关于工件50、60、70的空间布置和运动的确定(即运动学方面)以及滚剃刀具100的几何形状的基本参数(如直径和螺旋角)的确定(即刀具基础几何形状方面)。
[0111]目前在设计倾斜刀具的滚剃加工过程时通过观察不倾斜的刀具在设计点AP上的啮合条件来确定刀具基础几何形状(如直径和螺旋角)。之后迄今借助前刀面偏移使由此确定的刀具处于倾斜位置。为了确定所产生的精确的切削几何形状在此已知不同的措施。对于产生运动学后角常见的最大达10度的倾角δ而言，这些措施目前被视为合理的，这是因为由于COS (10度)~0.98，有效轴夹角Srff与轴夹角Σ的偏差极小并且因此可忽略。在此情况下倾斜和不倾斜的刀具之间的啮合条件区别不明显。
[0112]尽可能最佳地设计在设计点AP上的几何形状和运动学的啮合条件。啮合条件随着距设计点AP距离的增加而变化。在此滚剃加工是一种极为复杂的方法，其中，啮合条件也随着切削刃的运动而连续变化。但可通过设计点AP上的啮合条件有针对性地影响变化的啮合条件。
[0113]因此设计点AP上的啮合条件的正确设计在滚剃加工过程的设计中意义重大。
[0114]在改良滚剃加工方法中如下规定。随着倾角δ的数值的增大，有效轴夹角与轴夹角Σ的偏差也增大。对于数值大于15度的倾角δ，倾斜和不倾斜的滚剃刀具100之间的啮合条件区别明显。研究表明，处于不倾斜状态的滚剃刀具100的设计不能为滚剃刀具100明显倾斜时的加工提供足够好的切削条件。例如当在设计中用轴夹角Σ代替有效轴夹角Srff来求出滚剃刀具100的基圆直径dwl时，会破坏“切削方向条件”，该切削方向条件确保切削速度矢量^指向待产生的齿隙的倾斜方向。
[0115]根据本发明提出:在考虑预期的具有明显倾斜的空间布置的情况下直接设计滚剃刀具。为此必须在考虑空间传动的接触面BE中的切削条件的情况下设计设计点AP中的啮合条件。
[0116]关于轴布置的术语:
[0117]为了确定轴布置需要多个术语。这些术语在下表中说明。
[0118]
【权利要求】
1.一种用于通过使用滚剃刀具(100)滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件(50 ；.60 ；70)的方法，包括在滚剃加工期间实施的下述步骤: 一使滚剃刀具(100)相对于工件(50 ；60 ；70)耦合地进行相对运动， 一使滚剃刀具(100)围绕第一旋转轴线(Rl)旋转并且使工件(50 ；60 ；70)围绕第二旋转轴线(R2)旋转， 其中， 一在滚剃加工期间设定滚剃刀具(100)的正或负的倾角(δ )，该倾角的数值大于等于15度，并且第一旋转轴线(Rl)相对于第二旋转轴线(R2)异面延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)和工件(50；60 ；70)的耦合运动这样进行，即在滚剃加工期间在滚剃刀具(100)和工件(50 ；60 ;70)之间产生的相对运动对应于螺旋齿轮传动的相对运动。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)在加工阶段中朝向工件(50 ；60 ；70)的方向倾斜，其中，倾角(δ )优选在一 15度和一 45度之间的角度范围中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)在加工阶段中远离工件(50 ；60 ；70)的方向倾斜，其中，倾角(δ )优选在+ 15度和+ 45度之间的角度范围中。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，滚剃刀具(100)具有多个切削齿(111)，其中，每个切削齿(111)具有结构后角。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在运动学一结构方面的刀头后角(aKiK。)为在运动学上广生的负后角(α Ki)和在结构上的刀具后角(α K。)之和。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述旋转对称的周期结构是工件(50 ；60 ；70)的内齿部或外齿部。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述工件(50；60 ;70)为圆柱形工件，并且预设前刀面偏移(e)。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述工件(50；60 ;70)为仅具有小量超程的工件(60)。
10.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述工件(50；60 ；70)为具有内环(71)的工件(70)，并且滚剃刀具(100)为滚剃加工鼻，其中，内环(71)的内径与所要求的滚剃加工鼻进入工件(70)中的进入深度之比小于2。
11.一种用于通过使用滚剃刀具(100)滚剃加工具有旋转对称的周期结构的工件(50 ；.60 ；70)的设备(200)，包括: 一用于固定滚剃刀具(100)的刀具主轴(170)， 一滚剃刀具(100)， 一用于固定工件(50 ；60 ；70)的工件主轴(180)， 一用于耦合地实施相对运动并且用于使滚剃刀具(100)连同刀具主轴(170)围绕第一旋转轴线(Rl)以及使工件(50 ；60 ;70)连同工件主轴(180)围绕第二旋转轴线(R2)耦合地旋转的数控驱动装置， 其中，所述设备(200)具有数字控制装置(201)或能够与数字控制装置(201)连接，该数字控制装置设计用于在滚剃加工期间预设大于等于15度的倾角(δ )并且使第一旋转轴线(Rl)相对于第二旋转轴线(R2)异面。
12.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述滚剃刀具(100)具有滚剃轮状的刀具区域(101)，该刀具区域具有倾斜地向外突出的呈切削齿(111)形式的切削刃。
13.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述滚剃刀具(100)具有滚剃轮状的刀具区域(101)，该刀具区域具有插齿刀的形式、优选盘形插齿刀、碗形插齿刀或锥柄插齿刀的形式。
14.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述数字控制装置(201)设计用于使滚剃刀具(100)在滚剃加工期间沿朝向工件(50 ；60 ；70)的方向倾斜，其中，倾角(δ )优选在一 15度和一 45度之间的角度范围中。
15.根据权利要求10所述的设备(200)，其特征在于，所述数字控制装置(201)设计用于使滚剃刀具(100)在滚剃加工期间远离工件(50 ；60 ;70)倾斜，其中，倾角(δ )优选在+15度和+ 45度之间的角度范围中。
16.根据权利要求10至14之一所述的设备(200)，其特征在于，所述设备(200)为六轴机床。
17.根据权利要求10至14之一所述的设备(200)，其特征在于，所述滚剃刀具(100)为整体刀具或杆状刀片一滚剃轮。
18.根据权利要求10至14之一所述的设备(200)，其特征在于，所述数字控制装置(201)设计用于实施根据权利要求1至10之一所述的方法。
【文档编号】B23F5/16GK103501945SQ201280021620
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】O·福格尔 申请人:克林格伦贝格股份公司
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